張子健 沈建民 王紅源 吳蒙蒙 楊 福

（1.寧波市勞動安全技術(shù)服務(wù)公司 2.寧波市特種設(shè)備檢驗研究院）

0 引言

地面常壓儲罐 （以下簡稱儲罐）廣泛地應(yīng)用于石油儲備、煉油和化工行業(yè)，儲存的多為易燃、易爆、有毒以及腐蝕性介質(zhì)。一旦儲罐底板或壁板發(fā)生泄漏，就會對環(huán)境產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞，甚至造成重大人員傷亡，因此對儲罐進(jìn)行科學(xué)的管理和有針對性的檢測就顯得十分重要[1-2]。

傳統(tǒng)的定期檢驗主要是從儲罐完整性的角度考慮[3]。在確定檢驗周期時，外部檢驗周期通常不超過5年，開罐檢驗從儲罐開始運行到儲罐首次檢驗的周期不超過10年，之后的檢驗周期則可根據(jù)腐蝕速率和底板最小厚度來確定[4]。傳統(tǒng)的檢驗方法存在重點不突出、檢驗資源分配不合理等問題。

基于風(fēng)險的檢驗 （risk-based inspection，RBI）技術(shù)是在追求系統(tǒng)安全性與經(jīng)濟(jì)性統(tǒng)一的基礎(chǔ)上建立的一種優(yōu)化檢驗策略的方法[5]。RBI技術(shù)通過識別設(shè)備的損傷機(jī)理來確定失效可能性，通過計算介質(zhì)泄漏造成的環(huán)境破壞和經(jīng)濟(jì)損失來確定失效后果，通過失效可能性和失效后果來確定設(shè)備的風(fēng)險，通過風(fēng)險大小來篩選設(shè)備，從而可以合理地配置檢驗資源，為企業(yè)節(jié)約成本[6-7]。

1 儲罐RBI技術(shù)簡介

儲罐RBI技術(shù)是對儲罐進(jìn)行損傷機(jī)理分析和風(fēng)險的定量計算，并根據(jù)風(fēng)險的大小以及檢驗的有效性來確定儲罐的檢驗策略。儲罐的風(fēng)險（R）大小一般由失效概率（F）和失效后果（C）兩部分決定，如式（1）所示：

通用失效頻率是對大量不同服役年限儲罐發(fā)生泄漏后調(diào)查而得出的數(shù)據(jù)。損傷因子是考慮到儲存介質(zhì)、材料、溫度、使用年限、腐蝕速率、原始壁厚不同等情況，對通用失效頻率進(jìn)行修正得到的針對每個不同儲罐的、特定的失效概率，損傷因子計算的重點是底板、壁板的內(nèi)外部腐蝕速率。儲罐的失效后果通常只考慮泄漏或破裂造成的經(jīng)濟(jì)后果，不考慮燃燒、爆炸和中毒后果。

不同的失效概率等級 （1～5級）和不同的失效后果等級 （A～E級）可以在相應(yīng)的風(fēng)險矩陣中確定一個風(fēng)險等級。對于不同的風(fēng)險等級，可采取不同的檢驗策略。

儲罐的RBI評估一般只對壁板和底板進(jìn)行評價，不對頂板進(jìn)行評價。壁板和底板單獨作為一個單元進(jìn)行評價，取其中風(fēng)險值較高的一項作為整個儲罐的風(fēng)險值。在制定檢驗策略時，壁板和底板應(yīng)分開進(jìn)行考慮。

2 RBI技術(shù)在儲罐群中的應(yīng)用

2.1 儲罐群概況

本次評估的范圍是某化工企業(yè)裝置中包含的21臺儲罐，儲罐的基本情況見表1。

為確?！半p聯(lián)”工作扎實開展，常委會在4月份召開了全縣“雙聯(lián)”工作推進(jìn)會，并研究制定了“雙聯(lián)”工作意見建議辦理流程，對人大代表在“雙聯(lián)”工作中收集到的意見建議實行分類辦理機(jī)制。今年以來，全縣各級人大代表充分發(fā)揮優(yōu)勢，認(rèn)真盡責(zé)履職，積極投身新舊動能轉(zhuǎn)換、鄉(xiāng)村振興、環(huán)保治理、精準(zhǔn)扶貧的主戰(zhàn)場，全縣各人大代表民情聯(lián)絡(luò)站點共接待群眾600余人次，在聯(lián)系群眾、匯聚民意、服務(wù)發(fā)展等方面切實發(fā)揮了重要作用。

表1 某裝置中儲罐信息

2.2 損傷機(jī)理分析

參考API RP 571-2003《影響煉油工業(yè)固定設(shè)備的損傷機(jī)理》相關(guān)章節(jié)，本次評估的21臺儲罐存在的損傷機(jī)理主要包括大氣腐蝕 （無隔熱層）、層下腐蝕 （CUI）、土壤腐蝕、微生物腐蝕、介質(zhì)側(cè)腐蝕。

2.2.1 大氣腐蝕 （無隔熱層）

大氣腐蝕 （無隔熱層）是在未敷設(shè)保溫層的儲罐外壁和儲罐內(nèi)部無介質(zhì)接觸的內(nèi)壁所發(fā)生的鋼鐵吸氧腐蝕，屬于原電池腐蝕的一種，總反應(yīng)方程式為：

影響大氣腐蝕 （無隔熱層）的因素很多，主要包括儲罐安裝地的氣候環(huán)境 （濕度）、操作溫度、大氣成分以及表面涂層質(zhì)量等。

2.2.2 層下腐蝕

層下腐蝕 （CUI）是因為保溫層材料與罐體表面金屬之間存在空隙，空隙的存在就為聚水提供了較大的可能性。水的來源比較廣泛，可能是保溫層破損后雨水的聚集，冷卻水的噴淋，蒸汽伴熱管泄漏冷凝等。CUI在50～90℃時腐蝕速率最大。保溫層出現(xiàn)破損時，CUI對罐體的腐蝕危害性較大。對于碳鋼儲罐主要破壞形式為局部腐蝕減??；對于奧氏體不銹鋼儲罐主要破壞形式為氯離子應(yīng)力腐蝕開裂，氯離子主要來源于大氣或者保溫層材料本身。

2.2.3 土壤腐蝕

土壤腐蝕是由于罐底板接觸到土壤時發(fā)生的腐蝕。土壤中含有水分、氧氣和各種無機(jī)鹽，可導(dǎo)致罐底板和土壤之間形成電化學(xué)腐蝕。腐蝕形態(tài)多為局部腐蝕甚至穿孔，腐蝕的嚴(yán)重性取決于土壤的屬性和罐底板材料的屬性。土壤腐蝕速率與一些因素有密切關(guān)系，主要包括土壤電阻率、陰極保護(hù)、罐座基礎(chǔ)、排水系統(tǒng)、土壤含水量、溫度等。在儲罐RBI計算過程中，均對以上因素進(jìn)行了綜合考慮。

2.2.4 微生物腐蝕

微生物腐蝕是在微生物生命活動下參與的腐蝕現(xiàn)象，引起腐蝕的主要細(xì)菌包括鐵細(xì)菌 （需氧）和硫酸鹽還原細(xì)菌 （厭氧）。微生物腐蝕不是單一菌種的腐蝕，而是多種微生物共生、互交作用的結(jié)果。微生物參與腐蝕的方式主要包括新陳代謝產(chǎn)生無機(jī)酸、有機(jī)酸、硫化物、氨，促進(jìn)腐蝕的電極反應(yīng)動力學(xué)過程，改變了金屬周圍的氧、鹽、酸的濃度，促進(jìn)了原電池腐蝕。在儲罐中容易發(fā)生微生物腐蝕的部位是罐底板積水處、罐底板土壤側(cè)。影響因素主要包括水分、環(huán)境、養(yǎng)分、涂層質(zhì)量等。

2.2.5 介質(zhì)側(cè)腐蝕

儲罐內(nèi)部介質(zhì)側(cè)腐蝕是由于儲存產(chǎn)品具有腐蝕性，例如鹽酸、硫酸、有機(jī)酸、苛性堿及堿性鹽。腐蝕機(jī)理多為腐蝕性介質(zhì)與鐵反應(yīng)，產(chǎn)生鐵鹽和氫氣。除此之外，介質(zhì)中含有的沉積水也會對儲罐造成電化學(xué)腐蝕，沉積水中硫化物、氯化物、氧與金屬反應(yīng)，具有較強(qiáng)的腐蝕性。

2.3 風(fēng)險評估

將儲罐基本數(shù)據(jù)與潛在的損傷機(jī)理輸入RBI Onshore 5.2軟件，計算出每臺儲罐壁板和底板的風(fēng)險等級，結(jié)果如圖1所示。

圖1 儲罐風(fēng)險評估結(jié)果

從儲罐風(fēng)險評估結(jié)果來看，中風(fēng)險的4項分別為2#儲罐底板和壁板、7#儲罐底板和壁板，占總評估數(shù)量的10%，其余儲罐底板和壁板的風(fēng)險等級均為低風(fēng)險，占比達(dá)90%。雖然風(fēng)險等級是低風(fēng)險，但失效概率已達(dá)3級，這類儲罐也需重點關(guān)注。因為在失效后果的數(shù)據(jù)采集過程中，存在較大的主觀性，會對失效后果計算的結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。因此，在本次評估過程中，重點考慮儲罐底板和壁板的失效可能性等級，每臺儲罐壁板和底板的具體計算結(jié)果見表2。

2.4 檢驗策略的確定

基于風(fēng)險的檢驗計劃就是要根據(jù)儲罐評估結(jié)果對風(fēng)險進(jìn)行排序，區(qū)分中高低風(fēng)險，對于不同風(fēng)險等級與損傷機(jī)理的儲罐，采取不同的檢驗手段與檢驗周期。目前在役儲罐的主要檢測手段包括宏觀檢查、超聲測厚、小車自動爬壁、磁粉、滲透、超聲檢測和高頻超聲導(dǎo)波等，除此之外，底板漏磁檢測和聲發(fā)射檢測是兩種檢測儲罐最有效的方法。根據(jù)API RP 581和API RP 653規(guī)范，并結(jié)合我國的具體國情和法規(guī)，制定出檢驗方案如下。

表2 儲罐底板和壁板風(fēng)險評估結(jié)果

（1）對于底板、壁板失效可能性均為4級的儲罐

外部95%宏觀檢測，＞30%壁板和底板超聲波測厚，涂層或防腐層破損部位重點測厚；內(nèi)部底板90%漏磁掃查，漏磁盲區(qū)部位采用手動掃描 （hand scan）掃查或相控陣檢測，當(dāng)量缺陷超過40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗，底板100%宏觀檢測，超聲波測厚，底板聲發(fā)射檢測，液位波動部位重點檢測，檢測周期定位不超過3年。

（2）對于底板失效可能性為3級的儲罐

外部95%宏觀檢測，必要時進(jìn)行超聲波測厚，外部保溫層和防腐層定期檢查；內(nèi)部底板90%漏磁掃查，當(dāng)量缺陷超過40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗，底板100%宏觀檢測，超聲波測厚，檢測周期定位不超過6年。

（3）對于底板失效可能性為1級或2級的儲罐

外部大于50%宏觀檢測，必要時超聲波測厚，定期檢查底板泄漏情況；內(nèi)部底板100%宏觀檢測，90%漏磁掃查，當(dāng)量缺陷超過40%的部位采用超聲相控陣復(fù)驗，檢測周期定位不超過9年。

以上檢驗策略應(yīng)結(jié)合企業(yè)實際生產(chǎn)計劃進(jìn)行。因為儲罐為非承壓類特種設(shè)備，其檢驗不具有法定強(qiáng)制性，本次制定的檢驗策略僅供實際參考。

3 現(xiàn)場檢驗結(jié)果

2014年12月對該化工企業(yè)某裝置中其中10臺儲罐進(jìn)行了開罐底板漏磁掃查，并將漏磁掃查結(jié)果與RBI評估結(jié)果進(jìn)行了對比，具體情況見表3。其中2#-1、2#-2儲罐設(shè)計參數(shù)及使用條件完全相同，所以RBI計算中按一個儲罐 （2#）進(jìn)行評估，15#-1、15#-2儲罐情況類似，但開罐底板漏磁檢測時應(yīng)分成2個單獨的儲罐進(jìn)行檢測。

表3 儲罐底板漏磁掃查結(jié)果與RBI評估結(jié)果對比表

圖2 儲罐底板漏磁掃查結(jié)果

儲罐漏磁掃查結(jié)果如圖2所示。

4 討論與分析

通過對比漏磁掃查結(jié)果與RBI評估結(jié)果中的底板損傷因子這一項，可以得出如下規(guī)律：

（1）2#-1和2#-2儲罐的漏磁掃查結(jié)果土壤側(cè)存在 80%的當(dāng)量缺陷，其底板損傷因子均達(dá)到117.4，損傷因子等級為4級，吻合性比較高。

（2）21#、16#、15#-2儲罐的損傷因子等級均為3級，大小分別為51.2、51.2、46.4，其當(dāng)量缺陷分別為64%、47%、36%，有一定的規(guī)律性，即損傷因子越大，其當(dāng)量缺陷越大。

（3）4#和3#儲罐投入使用年限較短，其損傷因子較低，當(dāng)量缺陷較低，有規(guī)律性。

（4）6#和9#儲罐存在較大的當(dāng)量缺陷，但其損傷因子較低，原因是使用溫度低，介質(zhì)較為復(fù)雜，介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng)。

綜上所述，雖然底板損傷因子與當(dāng)量缺陷之間沒有明顯的計算關(guān)系式，但底板損傷因子的計算綜合考慮了土壤腐蝕速率、電阻率、儲罐基座類型、排水系統(tǒng)、陰極保護(hù)、溫度、介質(zhì)、底板類型等眾多因素，綜合考慮這些因素能科學(xué)地評估出底板材料的腐蝕情況。通過之前的分析也驗證了RBI評估結(jié)果和實際開罐檢驗結(jié)果的吻合性。日后在開罐檢驗前，應(yīng)先通過RBI評估結(jié)果和儲罐實際使用工況篩選出需重點關(guān)注的儲罐，主要考慮以下兩方面情況：

（1）投用年限較長的儲罐，使用溫度較高且底板損傷因子大于40的儲罐；

（2）介質(zhì)成分較為復(fù)雜，且介質(zhì)腐蝕性較強(qiáng)的儲罐。

因此對此次評估結(jié)果進(jìn)行篩選，篩選出底板損傷因子大于40的儲罐進(jìn)行重點關(guān)注，即 5#、7#、17#、18#儲罐，必要時需進(jìn)行開罐底板漏磁檢測。

5 總結(jié)

本文對21臺儲罐進(jìn)行了損傷機(jī)理分析，運用RBI技術(shù)進(jìn)行了定量風(fēng)險計算，得到了儲罐群的風(fēng)險分布情況。根據(jù)底板、壁板失效可能性等級確定了21臺儲罐的檢驗方案與檢驗周期，并對其中10臺儲罐進(jìn)行了開罐底板漏磁掃查，發(fā)現(xiàn)其中8臺已有大于40%當(dāng)量缺陷的腐蝕存在。通過對漏磁掃查結(jié)果和RBI底板損傷因子的分析，得到了底板損傷因子與漏磁最大當(dāng)量缺陷之間的對應(yīng)規(guī)律關(guān)系。運用該規(guī)律關(guān)系篩選出了需重點關(guān)注的儲罐名單，將寶貴的檢驗資源真正運用到需要檢驗的儲罐上，不僅為化工企業(yè)提高了檢測效率，而且降低了企業(yè)的成本。

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